摩擦納米發(fā)電機設(shè)計與制備及應(yīng)用研究.pdf

1、摩擦起電現(xiàn)象作為一種極其普遍的物理現(xiàn)象，幾乎存在于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。但是，摩擦起電常常被認為是一種負面效應(yīng)，在許多情況下人們都通過各種技術(shù)和途徑來防止摩擦起電的產(chǎn)生。最近，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授小組發(fā)明了基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合作用的摩擦納米發(fā)電機(TENG)，這種發(fā)電機能夠用來將機械能轉(zhuǎn)化為電能。TENG作為一種能量供給器件，其內(nèi)部的兩種摩擦電極性不同的材料在接觸時由于摩擦電效應(yīng)會在表面生成摩擦電荷，分離時由于電勢

2、差的作用會在外界電路上形成了電流輸出。制備摩擦發(fā)電機的材料為日常生活最常見的材料，如紙張、纖維織物、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、鋁(aluminum, Al)、聚氯乙烯(polyvinylchloride, PVC)、氟化乙丙烯(fluorinated ethylene propylene, FEP)等。TENG能用于收

3、集各種形式的機械能量，比如人體運動、機械振動、旋轉(zhuǎn)、風(fēng)能、聲波、水流、雨滴和海浪等。此外，通過將各種機械運動轉(zhuǎn)化成電信號，摩擦納米發(fā)電機可以作為自供能傳感器來探測位移、速度、金屬離子、濕度、溫度、紫外光強等。本論文提出并設(shè)計了若干種不同結(jié)構(gòu)、不同工作原理的TENG及基于TENG的自供能傳感器。經(jīng)過系統(tǒng)的實驗測試和計算模擬，研究了TENG及自供能傳感器的工作機制，同時進一步實現(xiàn)了TENG和自供能傳感器的相關(guān)應(yīng)用。本文的研究工作主要包括以下

4、幾點：
　　1．甲基橙(MO)在紫外光的照射下能夠被二氧化鈦納米顆粒光催化降解。紫外光照射下產(chǎn)生的光生空穴和電子能夠遷移到二氧化鈦顆粒表面，作為氧化還原反應(yīng)源與吸附的反應(yīng)劑反應(yīng)，形成具有強氧化性的超氧陰離子、過氧化氫和羥基。這些氧化劑能分解水中的有機染料和污染物。本項研究采用一種以PTFE和Al為起電材料的接觸分離式的TENG。這種發(fā)電機的輸出端可以在 MO中形成一個定向電場，有效地提高二氧化鈦顆粒中光生空穴-電子對的拆分并抑制其

5、復(fù)合，從而加強了光催化降解反應(yīng)。由于光電耦合作用，在相同的120分鐘的降解過程中，沒有TENG輔助的MO降解率為27％，而具有TENG輔助的MO降解率為76%。這種摩擦發(fā)電機輔助光降解的方法在污水處理、水裂解和環(huán)境凈化等方面都具有巨大的應(yīng)用潛力。
　　2.設(shè)計并制備出一種單電極的摩擦電傳感器(SE-TES)用于監(jiān)測塑料管道里的物體運動情況。這種設(shè)計新穎、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的SE-TES由薄膜狀的銅電極條和一根PTFE管構(gòu)成。利用摩

6、擦起電和靜電感應(yīng)的耦合作用，制備的傳感器能夠?qū)⒈粶y物機械運動的動能轉(zhuǎn)換為電極上的電信號。在管道外壁上布置均勻等距的銅電極條陣列可以用來探測管內(nèi)被測物的運動位置和速度。這種位移傳感器的信噪比可達到5.3×103。通過對被測物摩擦電信號的采集和處理，可以在顯示屏或者LED陣列上實時地檢測管內(nèi)物體的當前位置和運動信息。此外，這種基于摩擦電原理的自供能跟蹤系統(tǒng)還能用于探測水管的堵塞位置。本項工作展示了摩擦電傳感器用于自供能跟蹤系統(tǒng)、管道堵塞探測

7、、物流監(jiān)控等方面的巨大潛力。
　　3.研制出了一種全封閉的單電極摩擦發(fā)電機(S-TENG)。這種S-TENG結(jié)構(gòu)上由表面納米化的可溶性聚四氟乙烯(polytetrafluoro ethylene, PFA)小球、乳膠充氣氣球和位于氣球底部的Al電極構(gòu)成。S-TENG的工作機理是分成兩個獨立、分布的步驟：PFA球與乳膠氣球之間接觸摩擦起電以及帶有電荷的PFA球和Al電極之間的靜電感應(yīng)。通過實驗測量和理論模擬，系統(tǒng)地研究了發(fā)電機工作長

8、度和感應(yīng)距離對其輸出性能的影響。S-TENG可以輸出236 V的開路電壓和4.8μA的短路電流，并能作為持續(xù)穩(wěn)定的電源同時點亮十余盞LED。研制的S-TENG在氣流能量收集、空中導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)控方面顯示出了極大的應(yīng)用潛力。
　　4.對環(huán)境中水體能量的收集一直是世界范圍內(nèi)急需解決的技術(shù)難題。在本項工作中，先后設(shè)計并制備了收集水體靜電能的固液界面靜電摩擦發(fā)電機以及能夠同時收集水體靜電能和動能的復(fù)合型水能摩擦發(fā)電機。固液界面靜電摩擦發(fā)電機

9、結(jié)構(gòu)上由 FEP薄膜以及薄膜下方的條狀電極構(gòu)成。波動的水浪非對稱地屏蔽接觸面表面的摩擦電極，從而導(dǎo)致了電極條之間自由電子的流動，進而實現(xiàn)發(fā)電。復(fù)合型水能摩擦發(fā)電機由兩部分組成：固液界面靜電發(fā)電機和撞擊式摩擦發(fā)電機。其中，固液界面靜電發(fā)電機由PFA薄膜以及薄膜下方的條狀電極構(gòu)成，用于收集固液界面的靜電能。撞擊式摩擦發(fā)電機由納米化的PTFE薄膜、彈性的波浪電極構(gòu)成，用于收集波浪沖擊的動能。在傳播速度為0.5 m/s的水浪作用下，固液界面靜電

10、摩擦發(fā)電機和撞擊式摩擦發(fā)電機的短路電流分別為5.1μA和4.3μA，能夠同時點亮50盞LED。考慮到自然水體中可含有礦物質(zhì)和鹽分，本項工作研究了水體中鹽度對發(fā)電機輸出性能的影響。此外，復(fù)合型摩擦發(fā)電機還能制成自供能的求救信號發(fā)生裝置，能夠用于水上搜救?？紤]到此項技術(shù)的可擴展型，這種水能發(fā)電機在水能收集，環(huán)境監(jiān)測和水上搜救等方面具有不可限量的發(fā)展?jié)摿Α?br>　　5.摩擦發(fā)電機作為一種簡單、可靠、廉價、有效的環(huán)境機械能收集方法，對其溫度響

11、應(yīng)的研究工作還比較少。本項工作系統(tǒng)地研究了TENG在77 K到320 K范圍內(nèi)的溫度響應(yīng)。先后研究了半導(dǎo)體/聚合物、表面修飾后的半導(dǎo)體/聚合物、金屬/聚合物型TENG的輸出性能與溫度的關(guān)系。測試結(jié)果表明，半導(dǎo)體/聚合物、表面修飾后的半導(dǎo)體/聚合物型的TENG的輸出電壓和輸出電流均隨著溫度的降低而降低；而金屬/聚合物型TENG的電輸出隨著溫度的降低而升高。從實驗結(jié)果可知， TENG能夠在77 K到320 K的溫度范圍內(nèi)正常工作?；赑TF